Thèse Standardisation à l'Échelle Européenne des Mesures du Potentiel Oxydant des Aérosols H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes
Laboratoire de recherche : Institut des Géosciences de l'Environnement (IGE)
Direction de la thèse : Gaëlle UZU ORCID 0000000277200233
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-07-15T23:59:59

La révision de la Directive européenne sur la qualité de l'air adoptée en octobre 2024 introduit, pour la première fois, le potentiel oxydant des aérosols (PO) comme mesure recommandée sur les super-sites multi-instrumentés du réseau européen. Cette nouvelle métrique vise à compléter les concentrations massiques de PM afin de mieux relier exposition atmosphérique et impacts sanitaires, en intégrant la capacité réelle des particules à induire un stress oxydatif dans les voies respiratoires. Cependant, le potentiel oxydant n'est pas une mesure unique mais un ensemble de tests biochimiques (DTT, AA, GSH, OH) dont les protocoles diffèrent fortement selon les laboratoires, rendant difficile toute comparaison inter-sites à l'échelle européenne.

L'objectif de cette thèse est de développer, tester et valider des protocoles harmonisés pour plusieurs tests de PO, incluant les étapes critiques telles que l'extraction des filtres, leur conservation, la cinétique de réaction, la normalisation du signal, l'introduction contrôlée d'antioxydants.

Le travail sera mené en lien direct avec l'infrastructure de recherche européenne ACTRIS et des super-sites français représentatifs (Grenoble, Marseille, Paris), en conditions contrôlées puis en conditions réelles. Il produira des protocoles harmonisés, accompagnés d'un cadre d'incertitudes, d'une méthodologie de bancarisation des données, et d'une feuille de route pour leur déploiement dans les stations européennes.

Au cours de la dernière décennie, le potentiel oxydant des particules atmosphériques (PO) s'est imposé comme l'une des métriques les plus prometteuses pour relier l'exposition aux PM à des mécanismes toxicologiques pertinents pour la santé humaine, en particulier le stress oxydant et l'inflammation pulmonaire (Daellenbach et al, 2020 ; Tassel et al., 2025). Contrairement à la mesure réglementaire socle qui contrôle la concentration massique des particules dans l'atmosphère, le PO intègre les différences de composition chimique, la réactivité redox, la solubilité ou la surface spécifique des PM, tous ces paramètres étant susceptibles d'induire des réactions oxydatives dans le système pulmonaire. De nombreuses études montrent désormais que le PO présente des corrélations plus fortes que la concentration massique des PM avec des marqueurs d'inflammation, des admissions hospitalières ou certains épisodes aigus de pollution (Leni et al., 2020 ; Marsal et al., 2023, 2025).
Plusieurs tests biochimiques se sont progressivement imposés dans la littérature : tests mesurant la déplétion d'antioxydants (tests DTT, acide ascorbique, glutathion, acide urique), tests mesurant la génération d'espèces réactives de l'oxygène dans des fluides pulmonaires simulés (test DCFH ou tests par RPE / DMPO ou acide terephtalique pour les radicaux hydroxyles). Ces tests biochimiques ont l'avantage d'être relativement simples et accessibles et réalisés in vitro, mais ils diffèrent largement par leur milieu réactionnel, leur cinétique, leur sélectivité vis-à-vis des composants des particules, et leurs contraintes analytiques. Cette pluralité méthodologique reflète la richesse des mécanismes oxydants des PM, mais elle soulève un problème majeur : l'absence de standardisation.
En effet, pour un même test (par exemple le test PO DTT, aujourd'hui le plus répandu), les protocoles utilisés peuvent varier sur des points cruciaux :
-conditions d'extraction du filtre (solvant, durée, agitation, température),
-conservation des échantillons (temps entre prélèvement et analyse, exposition à la lumière, température),
-choix des concentrations d'antioxydants et de réactifs,
-fréquence et durée du suivi cinétique,
-normalisation des résultats (par masse, volume d'air, surface filtrée),
-qualité des réactifs et contrôle des blancs,
-instrumentation utilisée (lecteur de microplaque, spectrophotomètre, automate).

Les conséquences sont importantes : deux laboratoires appliquant un test DTT peuvent obtenir des valeurs différentes d'un facteur 2 à 10 sur les mêmes filtres, non pas en raison de différences physico-chimiques des particules, mais du protocole lui-même (Dominutti et al., 2024). À l'échelle européenne, il est actuellement quasi-impossible de comparer les séries temporelles, d'intégrer les données dans une base commune ou d'exploiter le PO dans un cadre épidémiologique robuste.
Des exercices récents d'intercomparaison entre laboratoires européens ont démontré que la dispersion des résultats reste significative, même lorsque tous reçoivent des échantillons identiques (Dominutti et al., 2024). Ces travaux ont permis d'identifier un ensemble de paramètres critiques responsables de cette variabilité : l'extraction du filtre, la cinétique de réaction, la stabilité de certains réactifs, la sensibilité aux métaux redox, la manière dont les blancs sont corrigés, ou encore la dépendance au temps de réaction lorsque la cinétique n'est pas strictement linéaire. Elles ont également montré que certains tests, comme les tests DTT ou AA, peuvent être plus facilement comparés si un certain nombre d'étapes sont strictement contrôlées.
Ces travaux ont abouti aux premières recommandations harmonisées pour le test DTT. Ces recommandations proposent un protocole simplifié, reproductible et compatible avec des instruments variés, en s'appuyant sur les paramètres les mieux contrôlés. Néanmoins, ce protocole harmonisé ne constitue qu'une première étape : il ne couvre qu'un seul test, alors que la communauté scientifique s'accorde sur l'importance d'utiliser plusieurs tests en parallèle, car aucun test de PO ne couvre la diversité des mécanismes oxydants des PM et il existe plusieurs familles d'anti-oxydants pulmonaires.
Parallèlement, des avancées en chimie atmosphérique ont clairement montré que le potentiel oxydant n'est pas un simple proxy pour les métaux de transition ou les composés organiques : il résulte d'une combinaison complexe entre source des PM, transformations atmosphériques, solubilité sélective des composants, et réactivité dans différents milieux simulant les fluides pulmonaires. Les niveaux de PO varient fortement selon les environnements : trafic routier, combustion de biomasse, poussières industrielles, pollution secondaire, ou encore contributions minières. Les profils de PO observés en fonction de la taille des particules montrent des signatures distinctes selon la taille des PM (PM10, PM2.5 et PM1). Cette complexité source/réactivité renforce la nécessité de disposer de données harmonisées si l'on souhaite dégager des tendances européennes ou des relations robustes source-PO-toxicité.

Enfin, l'entrée du potentiel oxydant dans la Directive européenne de 2024 change la nature du champ scientifique : il ne s'agit plus seulement d'une variable de recherche émergente, mais d'un indicateur recommandé sur les super-sites européens. Ce changement implique de préciser :
-les conditions pratiques de mesure (fréquence, volumes d'air, temps de traitement),
-les contraintes logistiques (conservation, transport, stockage),
-les exigences de qualité (contrôles internes, matériaux de référence),
-les méthodes d'archivage et de bancarisation des données,
-les incertitudes minimales acceptables,
-l'interopérabilité des données dans ACTRIS.

À ce jour, ces éléments ne sont pas encore définis pour la majorité des tests de PO et il n'existe pas de normes internationales pour cette variable. Ce sujet de thèse répond à un besoin identifié par une nouvelle directive européenne et s'inscrit dans l'infastructure de recherche européenne sur l'atmosphère ACTRIS.

Développer et valider des protocoles harmonisés pour la mesure du potentiel oxydant des particules par plusieurs tests biochimiques, applicables sur les super-sites de monitoring de la qualité de l'air Européens / ACTRIS.
Objectifs spécifiques
1. Identifier et quantifier les paramètres critiques influençant la mesure du potentiel oxydant
2. Construire un protocole harmonisé multi-tests
3. Donner des recommandations pour la structuration d'un centre thématique ACTRIS / et futures normes européennes.

Année 1: Exploration paramétrique et optimisation des tests biochimiques de potentiel oxydant
Identification de tous les protocoles utilisés en Europe pour les principaux tests actuellement utilisés en recherche (test PO AA/DTT/GSH/OH).
Tests systématiques des paramètres critiques (extraction, température, concentration reactifs etc)
Premier protocole multi-assays « version 0 ».

Année 2 : Analyse multi-tests et validation inter-sites/chambres atmosphériques
Étude d'impacts des différents paramètres sur filtres super-sites Français et Européens
Possibilité d'aller tester certains paramètres en chambres atmosphériques (CESAM)
Production du protocole multi-assays « version 1 » + estimation des incertitudes.

Année 3 : Déploiement, recommandations européennes
Documentation finale du protocole.
Définition et harmonisation des unités de potentiel oxydant
Contrôle qualité et validation des essais.
Archivage dans bases de données harmonisées
Recommandation pour la mise en place du centre de calibration EU sur le PO et ou futures normes

Master en sciences de l'environnement ou master en chimie